Kvantfysik Delmoment i kursen Experimentell fysik TIF090 Marica Ericson marica.ericson@physics.gu.se Tel: 031 786 90 30 Innehåll Spektroskopi & Kvantfysik Uppgifter Genomförande Utrustning Assistenter 2011 10 11 Kvantfysik Spektroskopi Interaktionen mellan strålning, elektromagnetisk eller partikiar, och materia. Kärnmagnetisk resonans UV VIS (Optisk) spectroscopy Partikelspektroskopi, t.ex. tex elektronstrålespektroskopi Masspektroskopi etc http://www.treklens.com Energi i diskreta nivåer Optisk spektroskopi Absorption Optisk spektroskopi Spridning E.g. Raman scattering 1
Optisk spektroskopi Emission Atomspektroskopi när ljuskällan är själva provet & Fluorescens Fosforescens Luminiscens Vad är ett spektrum? Atomärt emissionsspektrum (krypton): Vad är ett spektrum? Atomärt emissionsspektrum (krypton): Molekylär fluorescens: Varför är det sådan skillnad? Molekylär fluorescens: Bohrs atommodell grunden till kvantfysiken Atomens energinivåstruktur Energinivåer för Na Atomära energinivåer karakteriseras genom sina kvanttal: n, l, j, L, S, J Vilka övergångar som kan observeras bestäms av olika urvalsregler, t ex S = 0 (om spinnbankopplingen är svag). Niels Bohr, 1885 1962 Nobelpriset i fysik, 1922 E n E n' h Krypton 2
Molekylspektrum diatomärt Molekylspektrum diatomärt r E r E Molekylspektrum flera atomer Många valenselektroner och många tätt liggande energinivåer Bandstruktur Emission och absorption i breda våglängdsintervall i stället för skarpa linjer Uppgifter Studier av atomära spektra (1 & 3) Bestäm emissionsspektrumet för ett grundämne. Konstruera ett energinivådiagram. Studier av molekylspektra (2 & 4) Bestäm fluorescensspektrumet från jodmolekylen och beräkna vibrationsenergin. Extrauppgifter Studera spektralfördelningen hos olika ljuskällor t ex studera lysrör, glödlampor, lysdioder eller svartkroppsstrålare. (Uppg. 1,2,3,4) Studera ytterligare emissionsspektrum t.ex. Ne, Ar, Kr eller från hålkatodlampor. (Uppg. 1) Studera absorption i lösningar, t ex. laserfärgämnen och metallsalter. (Uppg. 1, 3) Genomförande Studera hur I 2 spektrumet förändras med andra lasrar och då man varierar temperaturen. (Uppg 2) Undersök hur I 2 :s vibrationsenergier avviker från en harmonisk oscillator (Uppg. 2) Bestäm emissionsspektrumet från en okänd hålkatodlampa, identifiera buffertgas och grundämnen i katoden (Uppg. 3). Studera I 2 :s absorptionsspektrum (Uppg. 4) Studera intensitetsvariationer i I 2 :s fluorescensspektrum samt leta efter rotationsövergångar. (Uppg. 4) 3
Ljuskällor Med kontinuerligt spektrum t ex glödlampor Med linjespektrum t ex spektrallampor Monokromatiska t ex lasrar Med både linjer och kontinuum t ex lysrör Svartkroppsstrålning Solen Glödlampor Infrarödvärmare Spektralfördelningen ges av Plancks strålningslag, beror av Temperaturen Spektrallampa hålkatodlampa LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Ihålig metallkatod Buffertgas Grundtillstånd Inverterad population: E 1 E 1 Anod E 0 E 0 Genom att pumpa in energi i systemet erhålls en inverterad population. Spontaneous emission Stimulerad emission E 1 E 1 E 0 E 0 4
Laserkavitet för resonans Medium Lasrar Helium neonlaser kontinuerlig, synlig, måttlig effekt (mw) Laser ljus Excimerlaser pulsad (ns), UV, hög effekt (medel W, i pulser MW) CO 2 laser kontinuerlig eller pulsad, IR, hög effekt 100 % spegel Pump 99 % spegel Färgämneslaser kontinuerlig eller pulsad, avstämbar våglängd Kristallaser (Rubin, Nd:YAG, Ti:safir) oftast pulsad, även korta pulser (ps, fs), synlig eller IR, kan nå höga effekter Förstärkning av vissa våglängder Halvledarlaser oftast kontinuerliga, kompakta, lätthanterliga, måttlig effekt (mw) Ljusbrytning i prisma n 1 sin 1 n 2 sin 2 Transmissionsgitter Gitter Reflektionsgitter Gitterspektrometer d d m 2 3 1 0-1 m 2 3 1 0-1 d sin sin m m = 0, ±1, ±2, Viktiga parametrar: Avstånd spalt gitter Spaltbredd Gitterparameter (linjer/mm) 5
et er Gasfas fria atomers och molekylers egenskaper Lösning eller matris påverkan från matrix / omgivningen Ögat Fotografisk film Fotodioder Diodmatriser, CCD Fotomultiplikator Fotomultiplikator Genomförande & Våglängd (nm): Gitterposition Spalter Spänning (Volt) Datainsamling Spänning (V) Assistenter Mikael Svedendahl Epost : mikael.svedendahl@chalmers.se Telefon : 031 772 31 23 Våglängd (nm) Si Chen Epost : si.chen@chalmers.se Telefon : 031 772 30 74 6
Projektupplägg Förstudie Genomförande Rapport Spektroskopi och kvantfysik in real life Fluorescensdiagnostik Fluorescensdiagnostik CCD camera Pp Autofluorescence IX 470 ± 50 nm 610 700 nm Filtered Hg lampor 365, 405 nm NADH, collagen Pp IX fluorescence ALA treated tumour I abnormal 1.4 I normal Ericson et al. J. Photochem. Photobiol. 2003 MRI Kärnmagnetisk resonansspektroskopi Analys av universum 25 20 15 10 5 120 100 80 60 40 20 20 40 60 80 100 7
Lycka till! 8